低噪声基带放大器设计和选型一、基带：Baseband信源（信息源，也称发射端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的 原始电信号所固有的频带（频率带宽），称为基本频带，简称基带。基带是频率范围非常窄的信号， 也就是说幅度谱仅在原点（f= 0）附近才是非零的，其他频率几乎可以忽略。在电信与信号处理中， 基带信号是无调变传输的，即该信号的频率范围没有任何移位，而且频率很低 ，包含频带从接近 0 Hz 到更高截止频率或最大带宽。二、放大器的基本特性：1、增益增益是指放大器能在多大程度上增大信号的幅值。该参数常用分贝（dB）来度量。用数学语言 来说，增益等于输出幅值除以输入幅值。（对功率放大器而言，用分贝表示的增益可以由此关系式计 算： G（dB） = 10log（Pout/Pin） 。2、输出动态范围输出动态范围，常用（dB）为单位给出，是指最大与最小有用输出幅值之间的范围。因为最低的 有用幅值受限于输出噪声，所以称之为放大器的动态范围。3、带宽与上升时间（1）放大器的带宽（BW）常定义为低频与高频半功率点之间的差值。也就是常说的-3dB BW。 有时也定义在其它的响应容差下的带宽（-1dB, -6dB等等）。举例来说，一个好的音频放大器的-3dB 带宽将在二十赫兹到两万赫兹左右（正常人的听觉频率范围）。（2）放大器的上升时间是指当阶跃信号输入时，输出端由其最终输出幅度值10%变化到90%时 所化的时间。4、理想频率特性增益为常数。即放大器对不同频率的信号具有相同的放大量，并且对任何频率的信号的相移均为 零。5、建立时间与失调是指输出幅值建立于最终幅值的某个比值（比如 0.1%）以内时所花的时间。6、效率效率用来量度多少输入能量是应用于放大器输出的。甲类（A类）放大器效率十分低下，约在10-20% 之间，最大不超过25%。现代甲乙类（AB类）放大器一般效率都在35-55%之间，理论值可达78.5%。 商用的丁类（D类）放大器的效率可高达97%。放大器的效率限制了总功耗中用作放大部分所占的比 例。注意，效率越高的放大器散热量越小，通常在几个瓦特的设计中也无需风扇。7、回转率回转率(slew rate)是指输出电压变量的变化率，常定义为伏特/每秒(或微秒)。8、噪声系数 是对在放大过程中引入噪声多少的一个量度。噪声是电学器件和元件中不受欢迎却无法避免的。噪声由放大器零输入时输出的分贝或输出电压峰值来度量。也可由输入信号和输出信号的信噪比比值 确定，噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即：对单级放大器而言，其噪声系数的计算为：其中 为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的， 、 和 分别为获得 时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。 对多级放大器而言，其噪声系数的计算为：NF=NF + (NF2-1)/G.+(NF3-1)/GiG2+其中为第n级放大器的噪声系数， 为第n级放大器的增益。在某些噪声系数要求非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很不方便，常 常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的换算关系为：Te = To ( NF - 1 )其中 为放大器的噪声温度，=290K ， NF 为放大器的噪声系数。NF(dB)二 lOLgNF9、线性度 理想放大器应当是完全线性器件，但是实际的放大器仅在某些实际限制下是线性的，其他情况下 均会出现失真。当驱动放大器的信号增大后，输出也随之增大，直到达到某个电压值，使得放大器的 某部分达到饱和从而不能再增大输出了，称之为“截止失真”(削顶失真、削峰失真)。同样的，存在 着“饱和失真”(削底失真)。失真的原因与晶体管的特性以及静态工作点的选择密切相关。三、噪声：一个正常工作的放大电路，当输入端接地时，用示波器观察输出，看到的不可能是平直的细线，而是 在一定幅度之内的杂乱无章的波形，这就是噪声。在示波器上看到线越粗，就说明噪声幅度越大。噪 声有以下特点：a. 波形、幅度不确定性，有低频也有咼频；b. 幅度有限性，类似正态分布;c. 无限积分趋于0即一段长时间内总的噪声平均值近似为0；常见噪声主要可以分成两类： 白噪声，主要是器件内部电子的热运动引起的，所以也叫热噪音。白噪声与频率无关，其幅度在有效 的频带范围内基本是一条平的直线，所以又叫平坦噪声； 闪烁噪声，机理比较复杂，存在于低频段，随着频率的上升而迅速下降，功率与频率之间的关系满足 1/f 规律。噪声的三种表示形式：a. 峰峰值Vnp-p：这是我们肉眼能够观察到的直观表示形式，取一段信号上噪声的最大点减去最小点， 这种表示虽然直观方便，但是由于噪声的不确定性，在不同的测量时候段，会得到不同的两点，只是 一个近似值。b. 均方根值(RMS,Root Mean Square):反应的是噪声的有效值，在电路中常用来描述一个连续的时间 段内波动电压的大小。c. 电压频谱密度Vn,单位是V/7Hz:其实噪声是个能量概念或者说功率概念，噪声的总功率(W)为 在整个频域内分布的功率之和，所以噪声密度的单位是W/Hz，但是平常习惯用电压电流表示信号，所 以要把功率换算成电压，开平方后就成了 V/Hz。频谱密度能给实际电路的噪声计算带来方便，在多 数运放的数据手册中，只提供噪声电压密度曲线。尽管影响放大器噪声性能的参数有很多，但最重要的两个参数是：电压噪声和电流噪声。电压噪 声是指在没有它噪声干扰的情况下，放大器输入短路时出现在输入端的电压波动。电流噪声是指在没 有其它噪声干扰的情况下，放大器输入开路时出现在输出端的电流波动。描述放大器噪声的典型指标 是噪声密度，也称作点噪声，在低噪声放大器数据资料中可以找到这些参数，而且，一般给出两种频 率下的数值：一个是低于200Hz的闪烁噪声；另一个是在1kHz通带内的噪声。简单起见，这些测量 值以放大器输入端为参考，不需要考虑放大器增益。下图所示为电压噪声密度与频率的对应关系曲线。噪声曲线与两个主要的噪声成份有关：闪烁噪 声和散粒噪声。闪烁噪声是所有线性器件固有的随机噪声，也称作1/f噪声，因为噪声振幅与频率成 反比。闪烁噪声通常是频率低于200Hz时的主要噪声源，如图所示。1/f角频率是指噪声大小基本相 同、不受频率变化影响的起始频率。散粒噪声是流过正向偏置pn结的电流波动所造成的白噪声，也 出现在该频段。值得注意的是：电压噪声的1/f角频率与电流噪声的1/f角频率可能会不同。INPUT VOLTAGE-NCNS DEN&TV vb FREQUENCYi w no moo iioooc匚 5晝4 l$IOH1rntlAlfld2FRLQU）ICY ptn_ ： 呼:*了卑皿严才二醉弓冲-二用刊卡岸L孕池 亠血事虫尊事迹J停“我：忙甘空寸.十 tt- 0嘤拿幅决昭氓軒埶至*曄、图 3-1 电压噪声密度与频率的关系曲线电压噪声密度与频率的关系曲线，主要受两种噪声源的影响：闪烁噪声和散粒噪声。闪烁噪声或1/f噪声与频率成反比，是频率低于200Hz时的主要噪声源。放大器电路的总噪声取决于放大器本身、外部电路阻抗、增益、电路带宽和环境温度等参数。电路的外部电阻所产生的热噪声也是总噪声的一部分。图 3-2 放大器和相关噪声成份放大电路的源阻抗决定占主导地位的噪声类型，源阻抗升高时，电流噪声为主要来源。特定频率下运算放大器总输入噪声的标准表达式为：廿+ （阳+心）九+ 4&叫心+ RJ其中：Rn=反相输入等效串联电阻，Rp=同相输入等效串联电阻，en=特定频率下输入电压噪声密度， in=特定频率下输入电流噪声密度，丁=以开尔文（K）为单位的绝对温度，k=1.38 x 10-23 J/K （波尔兹曼 常数）。公式（2）是指定频率下噪声与带宽对应关系。为计算总噪声，用et （以nV/丿Hz为单位）乘以带宽的平 方根即可。例如，如果放大器的带宽范围为100Hz至1kHz，那么，下式就是整个带宽范围内的总噪 声：上述例子给出了电压噪声和电流噪声在整个带宽范围内固定时，总噪声的计算公式（适用于放大器电 路带宽的较低频率值大于运算放大器的电压噪声和电路噪声1/f频率的情况）。如果电压噪声和电流噪 声在整个带宽范围内是变化的，那么总噪声的计算公式要更复杂。根据公式3-1和图3-2可很容易地看出电路源阻抗对噪声的影响。源阻抗较低的系统，电压噪声 是主要的噪声来源；源阻抗增大时，电阻噪声占主导地位，甚至可以忽略放大器的电压噪声。源阻抗 继续增大时，电流噪声成为噪声的主要因素。四、选择低噪声运算放大器：如果驱动一个带有一定源电阻的运算放大器，等效噪声输入则等于以下各项平方和的平方根：放 大器的电压噪声；源电阻产生的电压；以及流过源阻抗的放大器电流噪声所产生的电压。如果源电阻很小，则源电阻产生的噪声和放大器的电流噪声对总噪声的影响不大。这种情况下， 输入端的噪声实际上只是运算放大器的电压噪声；如果源电阻较大，源电阻的约翰逊噪声可能远高于运算放大器的电压噪声和由电流噪声产生的电 压。但需要注意，由于约翰逊噪声仅随电阻的平方根而增长，而受电流噪声影响的噪声电压与输入阻 抗成正比，因而对于输入阻抗值足够高的情况，放大器的电流噪声将成为主导。当放大器的电压和电 流噪声足够高时，在任何输入电阻值情况下，约翰逊噪声都不会是主导；如果某个放大器的噪声贡献相对于源电阻可以忽略不计，则可以通过运算放大器的品质因数来进行选择。这可以通过运算放大器的噪声指标来计算：其中： 表示折合到输入端的电压噪声， 表示折合到输入端的电流噪声。图4-1给出1KHz下，多种ADI高压（最高44V）运算放大器的电压噪声密度与的关系。斜 线显示了与电阻相关的约翰逊噪声。10D7OP28SPi67Ifl F213OP27iOP37MHSOURCE RESISTAHCE (n)OP2710Px1?7P27DAO743I/AD745AD7B7 adamcmMACMIOiADBJ62G,JOHNSON NOISE LINE F SOURCE RESISTANCEf = 1krtE Dn 1KHe图 4-1 ADI 公司的放大器噪声坐标图根据运算放大器数据手册中的数据（图4-8）,可以为某个频率制作类似的图。例如，AD8599的 折合到输入端的电压噪声约为1.07nV/Hz,折合到输入端的电流噪声为2.3pA/Hz（lkHz）。其 值 约为465 （1kHz） 需要注意的是：与该器件相关的约翰逊噪声等效约为69.6 的源电阻（见图4-1）； 对于超过 465 的源电阻，放大器电流噪声产生的噪声电压会超过源电阻产生的噪声电压，放大器的 电流噪声成为主要噪声源。欲使用该图（图4-2），只需执行第1至第4步。1. 通常情况下，源电阻是已知的（如传感器阻抗）。如果不知道电阻值，则根据周围的或前端的电路 器件进行计算。2. 在约翰逊噪声线上确定给定源电阻的位置，如1。3. 从第 2 步确定的点向坐标图右侧画一条水平线。4. 从第 2 步确定的点向左下方画一条直线。斜率为，每下降 10倍电压噪声则下降 10 倍电阻。 位于线右下方的放大器均为适用于目标设计的优质低噪声运算放大器，如图 4-3 阴影部分所示。JOHNSON MOISE LINE eL0W NOISE BOUNIDRY IDEAL OP AMPS FOR A LOW NOISE APPLICATK3Wf=1kHz益 Hs 33 一口 NU1CV